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電源調制式光纖激光毛化技術說明

? ? ? ? 2010年左右,國際光纖激光器廠家SPI和IPG根據中小型焊接機和薄板切割的市場需求,開發出電源調制式光纖激光器,主要用于替代低頻率大脈沖燈泵浦準連續YAG激光器。此后,國內激光毛化設備廠家逐步采用了400W和500W(500W以上的激光器調制頻率只能低于10KHz,加工效率極低)的連續激光器通過電源調制的方式產生脈沖激光進行激光毛化加工。

? ? ? ? 2011年以前的激光毛化設備普遍采用了激光器和車床分離的結構,由于光程差的存在,軋輥兩端的粗糙度偏差高達30%以上,根本無法滿足中高端冷軋板的生產需求。采用電源式光纖激光毛化設備能解決傳統激光毛化設備軋輥兩端粗糙度均勻性問題,但由于激光器的峰值功率低、調制脈寬比較寬、占空比小及激光功率利用率低等不足,因此該激光毛化設備加工的毛化效果存在毛化效率低、軋輥過鋼量極低及毛化點呈有序橢圓形等缺點。最核心的是,電源調制光纖激光毛化設備加工的激光毛化點是規則橢圓形,仿無序毛化方式是通過調整毛化點排列組合而實現,該方案犧牲了軋輥表面的粗糙度均勻性,存在原理性弊端,無法同時實現微觀無序和宏觀粗糙度均勻,光纖調制式激光毛化設備無法滿足中高端冷軋板生產要求。經過我國相關冷軋廠設備采購使用的數據,2011年~2017年采購的光纖激光毛化設備報廢率高達50%以上。

1、電源調制光纖器的原理

? ? ? ? 市場上現有光纖激光毛化設備用于軋輥毛化的主體方式是采用增益調制的方式對光纖激光器進行調制,從而對軋輥表面進行激光毛化加工,其光纖激光器調制原理圖如圖1所示。

圖1 基于增益調制技術的脈沖光纖激光器的結構

圖2 連續激光輸出

圖3 電源調制激光輸出

? ? ? ?以SPI400W光纖激光器為例,圖2為激光器連續激光輸出控制方式,采用連續的TTL觸發信號對LD進行控制,實現Po=400W的連續激光輸出;圖3為采用周期性方波的TTL信號對LD進行控制,實現Po=400W的周期性方波激光輸出。

2電源調制光纖激光毛化技術原理?

? ? ? ? 電源調制光纖毛化技術采用的是SPI400W或IPG500W光纖激光器為激光源,直接通過周期性方波TTL信號觸發LD,占空比輸出寬脈沖激光,通過控制激光脈沖的調制頻率和脈寬使激光毛化點在軋輥圓周方向的點陣排列不均勻而破壞軋輥圓周方向螺旋線的規則性。其典型激光毛化效果如圖4所示,為了保證冷軋輥表面粗糙度的均勻性,使用低占空比和相對穩定的調制頻率,結果導致宏觀出現螺旋線。圖5是在完全不考慮冷軋輥表面粗糙度均勻性的情況下,采用非常大的調制頻率范圍和反復隨機重復毛化的工藝情況下獲得的微觀形貌效果,微觀無序,但宏觀均勻性非常差。從激光毛化工藝的角度來看,仿無序光纖激光毛化技術無法解決激光毛化點的規則性問題,單純靠犧牲冷軋輥表面均勻性而模仿無序效果只能用于最低端的產品。除了激光毛化效果不佳外,調制式光纖毛化的形貌普遍是橢圓形,嚴重影響了鋼板兩個方向的一致性,同時存在加工效率低的缺陷,無法滿足中高端板材的應用需求。

圖4?典型光纖毛化效果

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圖5?極度不均勻光纖毛化效果

 

 

3雙頭電源調制光纖激光毛化設備的弊端

? ? ? ?由于單頭光纖激光毛化設備的加工效率極低,相關激光毛化設備廠家為了提高加工效率而采用兩臺400W光纖激光器并聯進行雙頭激光毛化加工,其典型方案如圖6所示。由于中高端冷軋板的板面均勻性非常高,標準的雙頭激光毛化設備必須采用兩個激光頭以軋輥軸線對稱排列,同時對同一條毛化線進行加工,雙頭激光兩路激光脈沖需要對軋輥的速度進行精確跟隨,才能保證兩路激光毛化效果的均勻一致性。

圖6 國內典型雙頭激光毛化方案

3.1、雙頭雙激光器存在方案錯誤

? ? ? ? 由于國內相關廠家無法精確做到毛化點陣的精確速度跟蹤,同時也無法設計出雙頭對稱分布的車床結構,該技術方案主要缺點如下:1)雙激光頭在軋輥同一方向垂直排列,容易因為軋輥直徑的變化而產生對焦不準,從而使毛化工藝不穩定;2)雙激光束加工的毛化螺旋線一般采用并排毛化方式,雖然能提高加工效率,但兩路激光的不一致會導致軋輥表面出現嚴重的螺旋線色差,容易產生宏觀缺陷3)采用仿無序毛化工藝式,兩路激光的同步性根本無法控制,會產生組合缺陷。

3.2、光纖激光毛化軋輥過鋼量低,穩定性差

? ? ? ? 目前雙頭400W光纖激光毛化設備加工的平整輥過鋼量極低,而且不同軋輥之間的過鋼量不穩定,主要原因如下:1)目前光纖激光毛化采用的是SPI400W光纖激光器,脈沖激光采用的是電源調制的辦法,激光的峰值功率僅僅是400W,激光束聚焦之后的峰值功率密度為106W/cm2,該激光功率密度很低,處于軋輥表面熔化的臨界功率密度,在激光加工過程中無法實現激光淬火,而是通過“硬燒”的辦法反復對軋輥表面進行加熱,從而破壞軋輥表面的結構,降低軋輥表面碳原子的含量,從而使軋輥表面的硬度很軟。2)軋輥過鋼量不穩定的原因是由于無序光纖激光毛化采用的是軋輥Z軸移動速度很慢,相鄰幾排毛化點之間反復疊加,由于軋輥的瞬間旋轉速度及激光脈沖隨機發生而導致相同加工工藝條件下軋輥表面的微觀形貌疊加形態相差很大,從而導致不同加工狀態下軋輥的表面硬度不一樣。

3.3、光纖激光毛化設備對軋輥表面要求高

? ? ? ? 根據光纖激光毛化設備用戶調試現場反饋,400W光纖激光毛化設備對軋輥磨削的要求極高,軋輥表面的缺陷會在激光毛化之后放大很多,這主要是因為400W光纖激光器輸出的激光峰值功率在軋輥表面的熔化的臨界位置,這會導致激光毛化加工時軋輥的任何缺陷都會影響軋輥的吸收,會放大激光毛化的缺陷。

3.4、光纖激光毛化軋輥存在局部缺陷,會復制到鋼板中

? ? ? ? 雙頭電源調制式光纖激光毛化采用的是電源調制的辦法對激光脈沖進行控制,通過軋輥周線間距的變化、占空比的變化及螺旋線互相疊加而實現防無序激光毛化,這種工藝特點會隨著軋輥轉速及激光脈沖發生器的隨機性變化而導致軋輥表面出現局部組合差別,比如出現兩排交錯或全部疊加的兩種狀態,從而在宏觀上產生明顯的紋路。

 

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